Alan Taub博士提出汽車(chē)材料選擇的經(jīng)濟(jì)性

如今，汽車(chē)行業(yè)對(duì)減重的追求正在推動(dòng)鋼、鋁和碳復(fù)合材料等行業(yè)的不斷創(chuàng)新。

金屬成型和材料科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新帶來(lái)了強(qiáng)度更高的鋼材，但在制造過(guò)程中必須采用加壓淬火等更為復(fù)雜、更高成本的工藝。

“今天，我們已進(jìn)入一個(gè)汽車(chē)可以真正開(kāi)始實(shí)現(xiàn)減重的時(shí)代，”密歇根大學(xué)材料科學(xué)與工程教授Alan Taub 博士表示，“現(xiàn)在幾乎所有新車(chē)發(fā)布時(shí)都會(huì)提到實(shí)現(xiàn)了5-10%的減重,因?yàn)楹茱@然，如今車(chē)輛的整備質(zhì)量已經(jīng)和燃油經(jīng)濟(jì)性直接掛鉤了。這也的確是事實(shí)，盡管如今車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性提升仍主要來(lái)自對(duì)車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)及對(duì)全電動(dòng)/半電動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用，但仍有 15% 的燃油經(jīng)濟(jì)性提升與車(chē)輛減重直接相關(guān)?！?/p>

Taub 博士的經(jīng)驗(yàn)之談：車(chē)輛每減重 10%，燃油經(jīng)濟(jì)性可提高 6％。

在 2019 年塑料工程師學(xué)會(huì)（Society of Plastics Engineers’）舉辦的 ANTEC 大會(huì)上，曾在通用汽車(chē)公司擔(dān)任研發(fā)主管的 Taub 博士對(duì)鋼、鋁和復(fù)合物等三大主流汽車(chē)材料進(jìn)行了全面評(píng)估。他預(yù)計(jì)，未來(lái)，這些材料在汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)中的比重將越來(lái)越高。

“無(wú)論任何新車(chē)研發(fā)項(xiàng)目的總工程師，你的工作就是盡可能以最低的成本，取得最高的燃油經(jīng)濟(jì)性?！盩aub 指出，“接著，你得拿出‘平均每加侖英里數(shù)可節(jié)省的成本’數(shù)據(jù)。不同廠商的情況略有不同，但普遍減重一磅的經(jīng)濟(jì)效益為 2 到 2.5 美元。很顯然，哪家供應(yīng)商能幫助汽車(chē)廠商實(shí)現(xiàn)減重，哪家供應(yīng)商就能拿到供應(yīng)合同?！?/p>

STEEL 鋼：如今，汽車(chē)車(chē)身材料規(guī)劃方面的最大變化是用一系列不斷進(jìn)化的高強(qiáng)度鋼種替代之前的低碳鋼材料。Taub表示，鋼材料將繼續(xù)扮演汽車(chē)架構(gòu)中的“主力軍”，而且如今鋼材料的硬度越來(lái)越高（因此防撞效果更好）、重量更輕且成本低至每磅 0.5 美元，“具有很高的成本效益”。

不久之前，在車(chē)身工程師的概念里，沖壓鋼的拉伸強(qiáng)度極限還是 300 MPa。但如今，拉伸強(qiáng)度在800 MPa 的鋼材比比皆是，甚至還可以達(dá)到更高。這些先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）和超高強(qiáng)鋼（UHSS）的剛度更高且重量更輕。不難理解，材料越堅(jiān)固，在相同應(yīng)用場(chǎng)景下需要使用的材料用量則越少，因此這些鋼材在減重方面的效果不言而喻。不過(guò)，拉伸強(qiáng)度在1000 MPa 以上的新型鋼材料下無(wú)法在室溫下壓印，必須采用熱成型技術(shù)。熱成型技術(shù)也稱(chēng)壓力淬火，是一種復(fù)雜的工藝，需要在模具中完成加熱、成型和淬火等過(guò)程。

高強(qiáng)度鋼材所需的壓力淬火工藝會(huì)增加成本，但仍不超過(guò)“減重所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，也就是每減重1 磅可節(jié)省 2 到 3 美元?！盩aub 解釋說(shuō)，目前鋼材行業(yè)正在推出拉伸強(qiáng)度在 1200 到 1400 MPa 的超高延展性產(chǎn)品，可以在室溫下完成沖壓成型，而且未來(lái)還會(huì)推出拉伸強(qiáng)度更高的材料。

Taub 博士向在場(chǎng)塑料工程師介紹到，“我們剛剛討論的高強(qiáng)度鋼材頂多可以幫車(chē)輛實(shí)現(xiàn) 10% 到 15% 的減重，未來(lái)的新材料則可以進(jìn)一步將該比例提升為 25%?！?/p>

材料專(zhuān)家 Alan Taub 博士曾就職于通用電氣、福特汽車(chē)和通用汽車(chē)等多家世界 500 強(qiáng)企業(yè)，自 2012 年起開(kāi)始在密歇根大學(xué)投身教學(xué)工作。

ALUMINUM 鋁：Taub 博士指出，鋁材料并不具有鋼材的延展性，因此制造商現(xiàn)在還無(wú)法向壓制鋼材一樣將鋁板壓制成一些更為復(fù)雜、更加極端的形狀。然而，汽車(chē)行業(yè)“在制造鋁成型零件方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，而且已經(jīng)通過(guò)采用機(jī)械緊固件，甚至是通過(guò)新工藝將鋁材料點(diǎn)焊到鋼材上的方法，解決了部件之間連接緊固的問(wèn)題，這也是目前鋁材相較于鋼材的主要劣勢(shì)之一。

Taub 博士表示，由于密度比同類(lèi)鋼材低 2.5 倍，“鋁材已經(jīng)迅速成為閉合件的首選材料，每減重 1 磅可節(jié)省不到2.00 美元。”

然而，由于鋁土礦精煉本身就屬于能源密集型產(chǎn)業(yè)，因此鋁材制造的成本本來(lái)就比較高，因此最終價(jià)格也相對(duì)較高。此外，鋁材行業(yè)已經(jīng)接近現(xiàn)有軋機(jī)產(chǎn)能的極限，這可能會(huì)限制這種材料未來(lái)的供應(yīng)保證。根據(jù)Taub 博士的說(shuō)法，“在開(kāi)展新車(chē)項(xiàng)目時(shí)，如果需要使用額外的鋁材料，則車(chē)廠必須直接與鋁業(yè)公司合作以提高產(chǎn)能，確保鋁材料的供應(yīng)?！?/p>

Taub 博士介紹說(shuō)，先把這些挑戰(zhàn)放在一邊，福特汽車(chē)的鋁質(zhì)皮卡F-150 已經(jīng)創(chuàng)造了不俗的銷(xiāo)售神話，“越來(lái)越多的車(chē)廠都在討論擴(kuò)大鋁材料在車(chē)身中的應(yīng)用?！?/p>

COMPOSITES 復(fù)合材料：Taub 博士表示，“目前市面上最輕的一批車(chē)型都采用了碳纖維復(fù)合材料?！?Taub 博士本人也同時(shí)是美國(guó)輕質(zhì)材料制造創(chuàng)新研究所（American Lightweight Materials Manufacturing Innovation Institute）的首席技術(shù)官。

目前，碳纖維材料在車(chē)身結(jié)構(gòu)中的大規(guī)模應(yīng)用還面臨諸多挑戰(zhàn)。很多車(chē)廠和一級(jí)供應(yīng)商均在探索碳復(fù)合材料的小批量應(yīng)用，但也有廠商選擇與流行趨勢(shì)“背道而馳”。比如 BMW 已經(jīng)從價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的SGL Carbon 合作中抽身，而后者在 BMW 的創(chuàng)新 i3 和 i8 車(chē)型的生產(chǎn)中扮演了重要角色。BMW i3 和 i8 車(chē)型的零部件采用源自全球，供應(yīng)商從德國(guó)老家一直延伸至美國(guó)華盛頓州。

Taub 表示，“汽車(chē)車(chē)身和底盤(pán)結(jié)構(gòu)的選材最終還是會(huì)趨向碳纖維復(fù)合材料，這是我們的減重的法寶?！?/p>

那么，如何才能走到這一步呢？

首先，碳纖維材料必須可以滿足所有的沖擊標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比來(lái)說(shuō)，金屬材料在極端沖擊條件下會(huì)變形，而碳纖維這樣的超硬材料在同等條件下更傾向于碎裂。Taub 博士指出，“但好消息是我們已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何通過(guò)建模來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，碳纖維材料吸收能量的能力也因此有了顯著提升?！?/p>

不過(guò)，碳纖維零部件的成型時(shí)間較長(zhǎng)，這仍然是個(gè)麻煩的問(wèn)題。根據(jù) Taub 博士的說(shuō)法，復(fù)合材料研究人員正在努力將碳纖維底板（這種材料在汽車(chē)車(chē)身中的最大規(guī)模應(yīng)用）的制作時(shí)間降低至1 分鐘?！拔覀円褜⑦@一過(guò)程從七年前的 8 分鐘縮短到今天的大約 4 分鐘，未來(lái)還有可能繼續(xù)將其縮短至 1 分鐘，”Taub 博士向 SPE 觀眾介紹說(shuō)，“我們?nèi)栽趯ふ宜矔r(shí)固化工藝?！?/p>

下一個(gè)最值得關(guān)注的技術(shù)拐點(diǎn)可能是熱塑性樹(shù)脂碳纖維復(fù)合材料。這種材料與碳纖維材料的結(jié)構(gòu)特性相同，但成型時(shí)間卻大大縮短。

目前，材料的前體成本以及將其轉(zhuǎn)化為高強(qiáng)度碳纖維所需的工藝也是材料科學(xué)家和工藝工程師關(guān)注的焦點(diǎn)。Taub博士介紹說(shuō)，“為了從各個(gè)方面降低成本，我們還有很多工作要做。如今，我們已經(jīng)將成本從每磅 20 美元降低至每磅 10 美元，未來(lái)還將繼續(xù)為降低至 7 美元的目標(biāo)而努力?！彼a(bǔ)充說(shuō)，我們還必須建立材料的閉環(huán)回收流程：“復(fù)合材料將成為最終勝利者，這種材料將逐步在各個(gè)方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，包括成本和回收時(shí)間?！?/p>

事實(shí)上，交通運(yùn)輸行業(yè)已經(jīng)在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)完成了從“單一材料密集使用（比如 F-150 皮卡）”到形成全新材料觀的轉(zhuǎn)變，即“將合適的材料，用合適的方法，應(yīng)用至合適的位置”。“現(xiàn)在，設(shè)計(jì)工程師可以使用 ANSYS 等各種各樣的工具，并選擇各種各樣的材料；組件工程師可以將這個(gè)部件制作成最復(fù)雜的形狀，而制造工程師則會(huì)處理這些材料豐富、形狀復(fù)雜的零部件，”Taub 博士指出，“那么我們不需要連接工程師了嗎？恰恰相反，他們可是所有公司都?jí)裘乱郧蟮娜??！?/p>